一種鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)電氣控制方式

齊華軍　程　君　徐　偉

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

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一種鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)電氣控制方式

齊華軍程君徐偉

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

摘要為測(cè)定地下鏟運(yùn)機(jī)鏟取物料重量達(dá)到通過(guò)數(shù)據(jù)分析的方式對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行有益調(diào)整的目的，通過(guò)安裝在鏟運(yùn)機(jī)大臂上的角度傳感器和壓力傳感器采集大臂壓力及鏟斗角度數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，求得鏟運(yùn)機(jī)每斗礦石的重量，并進(jìn)行電氣傳輸。在廣泛調(diào)研和理論研究的基礎(chǔ)上，井下試驗(yàn)結(jié)果表明，該動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)誤差小于8個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到了井下使用的精度要求。

關(guān)鍵詞鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重稱重模型電氣控制

20世紀(jì)90年代以來(lái)，礦山信息化進(jìn)程在我國(guó)進(jìn)一步加快，先后有一大批礦山進(jìn)行了信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并取得了較好的效果。礦山信息化建設(shè)是以高速企業(yè)“路網(wǎng)”為基礎(chǔ)，結(jié)合底層信息采集與識(shí)別，以開(kāi)發(fā)適合不同用戶層次、具有不同功能的礦山應(yīng)用系統(tǒng)為核心[1]。其中，井下生產(chǎn)調(diào)度管理是信息化建設(shè)的重點(diǎn)，它決定了礦山的生產(chǎn)效率和資源的有效利用。

由于礦山人工調(diào)度無(wú)法實(shí)時(shí)掌握回采出礦數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)指揮調(diào)度中存在一定的盲目性，往往造成分段崩落存量不合理、開(kāi)采工藝不協(xié)調(diào)影響回收率，不利于設(shè)備效率的發(fā)揮，不便于生產(chǎn)調(diào)度管理，制約著礦山經(jīng)濟(jì)效益的提高。因此，對(duì)回采鏟運(yùn)機(jī)出礦量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行合理調(diào)度，可以極大的提高采礦回收率。

國(guó)內(nèi)礦山對(duì)鏟運(yùn)機(jī)自稱重系統(tǒng)應(yīng)用的研究幾乎沒(méi)有，國(guó)外鏟運(yùn)機(jī)自稱重系統(tǒng)對(duì)過(guò)程操作要求有較多限制，主要是生產(chǎn)過(guò)程中大量采用靜態(tài)稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然精度高，但存在車輛滯留、信息滯后和容易造成人為操作漏洞等缺點(diǎn)，極大的影響生產(chǎn)效率。因此，有必要研究鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)，將鏟運(yùn)機(jī)載重和運(yùn)行信息納入實(shí)時(shí)調(diào)度管理系統(tǒng)中，以提高企業(yè)的生產(chǎn)管理效率和水平。

為此，通過(guò)課題研究，結(jié)合井下手持機(jī)數(shù)采系統(tǒng)，可構(gòu)建完整的回采出礦過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息，有利于資源利用，穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏，控制過(guò)采，提高礦山生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)性和全面性，優(yōu)化礦山井下生產(chǎn)調(diào)度及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步提高礦山的生產(chǎn)效率。

1稱重系統(tǒng)原理

通過(guò)安裝在鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)工作裝置上的傳感器與信號(hào)采集、控制、處理及顯示系統(tǒng)，在鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)的過(guò)程中動(dòng)態(tài)稱量每斗礦石的重量，將每次裝卸重量相加得到裝卸礦石的總重量。這種方法既保證了工作效率又有較高的精度，而且不對(duì)鏟運(yùn)機(jī)操作造成任何影響[2]。

該系統(tǒng)的基本原理是利用壓力傳感器、角度傳感器和加速度傳感器測(cè)量液壓系統(tǒng)各個(gè)工作油缸壓力、大臂位置角和加速度等，通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出載重量，然后再通過(guò)重量顯示打印系統(tǒng)進(jìn)行輸出。

該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：其一，保證了作業(yè)效率，鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重就是在鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行載重稱量，不需要停機(jī)稱重，基本不改變工人傳統(tǒng)的操作習(xí)慣；其二，可以在原有鏟運(yùn)機(jī)上進(jìn)行模塊化安裝，簡(jiǎn)單方便；其三，同地磅等稱重設(shè)施相比，該系統(tǒng)由鏟運(yùn)機(jī)攜帶，不受場(chǎng)地限制，同時(shí)價(jià)格低廉。

該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為增設(shè)了角度傳感器和加速度傳感器，使稱重可以在“鏟”后“運(yùn)”送過(guò)程中的任意姿態(tài)和任意調(diào)姿的速度下完成。提出了一套基于卡特彼勒稱重算法模型的改進(jìn)型分區(qū)間固定角度預(yù)標(biāo)定稱重算法，同時(shí)提出了一種分段搜索有效勻速段的方案用于解決大臂角加速度帶來(lái)的慣性力問(wèn)題，其測(cè)量誤差小于8個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)，其鏟裝物料重量為：

(1)

式中，大臂工作舉升角度α由傾角傳感器測(cè)得，舉升油缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力P1、P2分別由兩個(gè)壓力傳感器測(cè)得，g0l0經(jīng)過(guò)空載標(biāo)定試驗(yàn)由式(1)計(jì)算可得，其余各尺寸與角度均為已知條件，因此可以利用該式求出鏟斗中物料的重量[3-4]。

2稱重系統(tǒng)裝置的組成

根據(jù)稱重模型，需要測(cè)量舉升油缸的有桿腔、無(wú)桿腔的壓力和鏟運(yùn)機(jī)大臂的傾角變化[1]。

稱重系統(tǒng)硬件組成包括：有桿腔壓力傳感器、無(wú)桿腔壓力傳感器、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、車載計(jì)算機(jī)以及電源。如圖1所示，地下鏟運(yùn)機(jī)在工作過(guò)程中，通過(guò)安裝在油壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)壓力傳感器獲得舉升油缸壓力信號(hào)，安裝在舉升臂上的傾角傳感器獲得舉升臂舉升角度信號(hào)，這些信號(hào)將通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊，被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1　電氣控制系統(tǒng)組成

稱重系統(tǒng)電源選用西門子24VDC，車載計(jì)算機(jī)選用TREK-753R-0A0E，操作系統(tǒng)采用Windows XP，支持Microsoft Visual C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。由于車載計(jì)算機(jī)為操作工人在駕駛室使用，將車載計(jì)算機(jī)BIOS設(shè)置為加電自啟動(dòng)模式，測(cè)量程序在注冊(cè)表的RUN鍵下設(shè)置為自啟動(dòng)模式，這樣操作人員無(wú)需操作稱重系統(tǒng)，測(cè)量在稱重程序中自動(dòng)完成，并可把測(cè)量的重量記錄為Excel表，表中含測(cè)量時(shí)間和礦石重量信息，可存盤(pán)可上傳，便于管理人員調(diào)閱。

壓力傳感器的壓力測(cè)量范圍為0～40 MPa，輸出電流范圍為4～20 mA，外接一個(gè)250 Ω的電阻，則輸出電壓變化范圍為1～5 V，當(dāng)壓力傳感器測(cè)得的壓力為0 MPa時(shí)輸出電壓為1 V，當(dāng)壓力傳感器測(cè)得的壓力為40 MPa時(shí)輸出電流為5 V，因此可以得到輸出電壓信號(hào)與壓力之間的換算公式：

y=10x-10 ，

(2)

式中，x為輸出傳感器輸出電壓值；y為傳感器實(shí)測(cè)壓力值。

傾角傳感器是用來(lái)測(cè)量目標(biāo)載體在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，相對(duì)于水平位置的角度變化。傾角傳感器按照軸向可以分為單軸傾角傳感器和雙軸傾角傳感器，單軸傾角傳感器僅能夠測(cè)量一個(gè)軸相對(duì)于水平位置的角度變化，雙軸傾角傳感器可以分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)相互垂直軸的相對(duì)于水平位置的角度變化，需要注意的是這兩個(gè)軸的角度需要分開(kāi)測(cè)量；按照傾角傳感器原理又可分為固體擺傾角傳感器、液體擺傾角傳感器和氣體擺傾角傳感器。

3程序?qū)崿F(xiàn)

地下鏟運(yùn)機(jī)稱重程序框圖[5]見(jiàn)圖2。

圖2　稱重程序框圖

計(jì)算地下鏟運(yùn)機(jī)工作裝置最大自重力矩g0l0的C++語(yǔ)言程序如下：

/*

f 7 000[0]∥無(wú)桿腔壓力信號(hào)

f 7 000[1]∥有桿腔壓力信號(hào)

f 7 000[2]∥舉升臂角度信號(hào)

*/

if (f 7 000[0]<1) f 7 000[0]=1；

p1=10* f 7 000[0]-10；∥無(wú)桿腔壓力

if (f 7000[1]<1) f 7 000[1]=1；

p2=10* f 7 000[1]-10；∥有桿腔壓力

alph=(22.5* f 7 000[2]-11.25)；∥轉(zhuǎn)動(dòng)角度

m_LED1.Set_Value(p1)；∥無(wú)桿腔壓力顯示

m_LED2.Set_Value(p2)；∥有桿腔壓力顯示

m_LED3.Set_Value(alph)；∥轉(zhuǎn)動(dòng)角度

g0l0=(sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)* 0.017 5))))；

m_LED5.Set_Value(g0l0)；∥最大自重力矩顯示

測(cè)量鏟裝物料重量的程序

測(cè)量地下鏟運(yùn)機(jī)鏟斗鏟裝物料的重量時(shí)，只需將測(cè)量最大自重力矩程序中

“g0l0=(sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt( 2.15- 2.126*(cos((74+alph)* 0.017 5))))；

m_LED5.Set_Value(g0l0)；∥最大自重力矩顯示”

改寫(xiě)為

“G=33.023*((sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)*0.017 5))))-g0l0)；

if(G<0) G=0；

m_LED5.Set_Value(G)；∥物料質(zhì)量顯示”，即可。

上述程序中，“g0l0”為已知值，其值由試驗(yàn)測(cè)得。鏟運(yùn)機(jī)車載計(jì)算機(jī)測(cè)量程序界面見(jiàn)圖3。

圖3　鏟運(yùn)機(jī)車載計(jì)算機(jī)測(cè)量程序界面

根據(jù)地下鏟運(yùn)機(jī)井上空載標(biāo)定試驗(yàn)，可以獲得最大自重力矩的數(shù)值，在稱重模型中減去最大自重力矩，則可得到地下鏟運(yùn)機(jī)鏟裝物料的質(zhì)量。只需將測(cè)量最大自重力矩程序中

“g0l0=(sin((74+alph)*0.0175)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)* 0.017 5))))；

m_LED5.Set_Value(g0l0)；∥最大自重力矩顯示”

改寫(xiě)為：

“G=33.023*((sin((74+alph)*0.017 5)*(0.042*p1-0.03*p2))/(cos((13-alph)*0.017 5)*sqrt(2.15-2.126*(cos((74+alph)*0.017 5))))-0.12)；

if(G<0) G=0；

m_LED5.Set_Value(G)；∥物料質(zhì)量顯示”即可。

4結(jié)語(yǔ)

鏟運(yùn)機(jī)動(dòng)態(tài)自稱重系統(tǒng)的測(cè)試方法及實(shí)現(xiàn)方式使稱重物料的重量數(shù)據(jù)分析更加方便、快捷、準(zhǔn)確，且受環(huán)境影響小、不對(duì)操作人員的工作造成影響，如與軌跡跟蹤系統(tǒng)配合，可更好地指導(dǎo)礦山生產(chǎn)調(diào)配和計(jì)劃調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

[1]張鳳池，曹榮敏.現(xiàn)代工廠電氣控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]張寶琴，袁旭芳.液壓傳動(dòng)與采掘機(jī)械[M].1版.北京:北京交通大學(xué)出版社，2012.

[3]王松柏，魏洪興.裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2007(1):29-30.

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[5]張海龍，袁國(guó)忠.C++ Primer Plus[M].6版.北京：人民郵電出版社，2012.

(收稿日期2015-01-28)

齊華軍(1981—)，男，工程師， 210041 江蘇省南京市雨花臺(tái)區(qū)西善橋。